JP2009117170A - Hydrogen and power generating system, and load following power generation method therein - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、少なくとも改質装置と、前記改質装置からアノード側に改質ガスが供給されることにより水素製造モードと発電モードとを選択的に行う燃料電池−イオンポンプ結合体と、を備える水素製造発電システム及びその負荷追従発電方法に関する。 The present invention includes at least a reformer, and a fuel cell-ion pump assembly that selectively performs a hydrogen production mode and a power generation mode by supplying reformed gas from the reformer to the anode side. The present invention relates to a hydrogen production power generation system and its load following power generation method.
燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス）をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。 A fuel cell supplies a fuel gas (mainly hydrogen-containing gas) and an oxidant gas (mainly oxygen-containing gas) to the anode-side electrode and the cathode-side electrode and causes them to react electrochemically. It is a system that obtains electrical energy.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体とセパレータとを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックを構成している。この燃料電池スタックは、例えば、自動車等の車両に搭載して使用される一方、家庭の電力需要を賄う家庭用エネルギステーションに用いられている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) provided with an anode side electrode and a cathode side electrode on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched between separators. Has a cell. This type of power generation cell normally constitutes a fuel cell stack by laminating a predetermined number of electrolyte membrane / electrode structures and separators. The fuel cell stack is used in, for example, a household energy station that covers household electric power demand while being used in a vehicle such as an automobile.
この場合、上記の燃料電池に供給される燃料ガスとしては、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質等を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。 In this case, as a fuel gas supplied to the fuel cell, a hydrogen gas generated from a hydrocarbon-based raw fuel by a reformer is usually used. In a reformer, generally, a reforming raw material gas is obtained from a hydrocarbon-based raw fuel such as methane or LNG, and then steam reforming, partial oxidation reforming, or autothermal reforming is performed on the reforming raw material gas. As a result, reformed gas (fuel gas) is generated.
改質装置により生成される燃料ガスは、さらに高純度の水素ガス（精製水素ガス）に転換させる必要があるとともに、貯蔵用に圧縮する場合がある。このため、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池−イオンポンプ結合体が採用されている。 The fuel gas produced by the reformer needs to be converted into higher purity hydrogen gas (refined hydrogen gas) and may be compressed for storage. For this reason, for example, a fuel cell-ion pump combination disclosed in Patent Document 1 is employed.
この燃料電池−イオンポンプ結合体は、燃料を受け入れるためのアノード側入口と、燃料を排出するためのアノード側出口と、酸化剤を受け入れるためのカソード側入口と、酸化剤と、精製酸素と精製水素との少なくとも１つとを排出するためのカソード側出口と、第１のコネクタと、第２のコネクタとを備える電気化学セル及び、前記第１及び第２のコネクタに電荷を与え、前記電気化学セルが発電する燃料電池として作用し、前記第１及び第２のコネクタに電位を与え、前記電気化学セルが、水素を精製する水素ポンプと酸素を精製する酸素ポンプとの少なくとも１つとして作用するための制御装置、を備えている。 The fuel cell-ion pump assembly includes an anode-side inlet for receiving fuel, an anode-side outlet for discharging fuel, a cathode-side inlet for receiving an oxidant, an oxidant, purified oxygen, and purified An electrochemical cell comprising a cathode side outlet for discharging at least one of hydrogen, a first connector, and a second connector; and applying an electric charge to the first and second connectors, The cell acts as a fuel cell for generating electricity, applies a potential to the first and second connectors, and the electrochemical cell acts as at least one of a hydrogen pump for purifying hydrogen and an oxygen pump for purifying oxygen. A control device.
ところで、上記の燃料電池−イオンポンプ結合体は、急激な負荷変動に対応することができないため、通常、一定出力で運転されている。従って、燃料電池−イオンポンプ結合体から得られる電力を、家庭用電力として利用する場合、家庭の消費電力が頻繁に変動するため、系統電源に接続する必要がある。 By the way, the fuel cell-ion pump assembly described above is normally operated at a constant output because it cannot cope with a sudden load fluctuation. Therefore, when the power obtained from the fuel cell-ion pump assembly is used as household power, the power consumption at home frequently fluctuates, so it is necessary to connect to the system power supply.
その際、燃料電池−イオンポンプ結合体は、一定出力で継続して運転しながら、要求電力の過不足分は系統電源に接続することによる売電や買電で対応することになる。しかしながら、停電時や系統電源網が整備されていない地域では、負荷変動に追従して家庭用電力を安定して供給することができないという問題がある。 At that time, while the fuel cell-ion pump assembly is continuously operated at a constant output, the excess or deficiency of the required power is dealt with by selling or buying power by connecting to the system power supply. However, there is a problem that household electric power cannot be stably supplied following a load change in a power outage or an area where a system power supply network is not established.
本発明はこの種の要請に対応してなされたものであり、負荷変動に追従して燃料電池−イオンポンプ結合体の発電量を変動させるとともに、良好なガス改質反応を安定的且つ確実に行うことが可能な水素製造発電システム及びその負荷追従発電方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in response to this type of request, and varies the power generation amount of the fuel cell-ion pump assembly following the load fluctuation and stably and reliably performs a good gas reforming reaction. An object of the present invention is to provide a hydrogen production power generation system and a load following power generation method that can be performed.
本発明は、炭化水素を主体とする原燃料を改質して改質ガスを生成するとともに、熱源として第１燃焼器を備える改質装置と、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記一対の電極間に電位を印加した状態で、アノード側に前記改質ガスを供給することにより、前記改質ガス中の水素が前記電解質を透過してカソード側に移送される水素製造モード、及び前記一対の電極間に電荷を印加した状態で、前記アノード側に前記改質ガスを供給するとともに、前記カソード側に酸化剤ガスを供給することにより発電する発電モードを有する燃料電池−イオンポンプ結合体と、前記燃料電池−イオンポンプ結合体のアノード側出口から排出されるアノードオフガスを、前記第１燃焼器に供給するためのアノードオフガス流路と、前記アノード側出口と前記第１燃焼器との間に位置し、前記アノードオフガス流路から分岐するアノードオフガス分岐流路と、前記アノードオフガス分岐流路に配置される第２燃焼器と、前記アノードオフガス分岐流路に、前記第２燃焼器の上流に配置される流量制御弁とを備えている。 The present invention reforms a raw fuel mainly composed of hydrocarbons to generate a reformed gas, and includes a reformer provided with a first combustor as a heat source, and a pair of electrodes on both sides of an electrolyte. By supplying the reformed gas to the anode side in a state where an electric potential is applied between the pair of electrodes, the hydrogen in the reformed gas permeates the electrolyte and the cathode In the hydrogen production mode transferred to the side, and with the charge applied between the pair of electrodes, power is generated by supplying the reformed gas to the anode side and oxidant gas to the cathode side. A fuel cell-ion pump assembly having a power generation mode, and an anode off-gas for supplying anode off-gas discharged from the anode side outlet of the fuel cell-ion pump assembly to the first combustor An anode offgas branch passage that is located between the anode outlet and the first combustor and branches from the anode offgas passage; and a second combustor disposed in the anode offgas branch passage. The anode off gas branch flow path is provided with a flow rate control valve disposed upstream of the second combustor.
また、アノードオフガス分岐流路には、第２燃焼器の下流に位置して冷却装置が配設されることが好ましい。 Further, it is preferable that a cooling device is disposed in the anode off-gas branch flow path so as to be located downstream of the second combustor.
さらに、アノードオフガス分岐流路には、第２燃焼器の下流に位置して熱交換器が配設されることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that a heat exchanger is disposed downstream of the second combustor in the anode off gas branch flow path.
さらにまた、水素製造発電システムは、改質装置と燃料電池−イオンポンプ結合体のアノード側入口とを連結するアノード側入口流路と、前記アノード側入口流路に設けられる三方弁と、前記三方弁とアノードオフガス流路とに連結され、前記燃料電池−イオンポンプ結合体をバイパスするバイパス流路とを備えることが好ましい。 Furthermore, the hydrogen production power generation system includes an anode-side inlet channel that connects the reformer and the anode-side inlet of the fuel cell-ion pump assembly, a three-way valve provided in the anode-side inlet channel, and the three-way valve It is preferable to include a bypass channel connected to the valve and the anode off-gas channel and bypassing the fuel cell-ion pump assembly.
また、水素製造発電システムは、家庭に電力を供給するための家庭用エネルギステーションに用いられることが好ましい。 The hydrogen production power generation system is preferably used in a home energy station for supplying power to the home.
さらに、本発明は、炭化水素を主体とする原燃料を改質して改質ガスを生成するとともに、熱源として第１燃焼器を備える改質装置と、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記一対の電極間に電位を印加した状態で、アノード側に前記改質ガスを供給することにより、前記改質ガス中の水素が前記電解質を透過してカソード側に移送される水素製造モード、及び前記一対の電極間に電荷を印加した状態で、前記アノード側に前記改質ガスを供給するとともに、前記カソード側に酸化剤ガスを供給することにより発電する発電モードを有する燃料電池−イオンポンプ結合体と、前記燃料電池−イオンポンプ結合体の前記アノード側出口から排出されるアノードオフガスを、前記第１燃焼器に供給するためのアノードオフガス流路と、前記アノード側出口と前記第１燃焼器との間に位置し、前記アノードオフガス流路から分岐するアノードオフガス分岐流路と、前記アノードオフガス分岐流路に配置される第２燃焼器と、前記アノードオフガス分岐流路に、前記第２燃焼器の上流に配置される流量制御弁とを備える水素製造発電システムの負荷追従発電方法に関するものである。 Furthermore, the present invention reforms raw fuel mainly composed of hydrocarbons to generate reformed gas, and also includes a reformer including a first combustor as a heat source, and a pair of electrodes on both sides of the electrolyte. When the reformed gas is supplied to the anode side with a potential applied between the pair of electrodes, hydrogen in the reformed gas permeates the electrolyte. In the hydrogen production mode transferred to the cathode side, and with the charge applied between the pair of electrodes, the reformed gas is supplied to the anode side and the oxidant gas is supplied to the cathode side. A fuel cell-ion pump assembly having a power generation mode for generating power, and an anode for supplying anode off-gas discharged from the anode-side outlet of the fuel cell-ion pump assembly to the first combustor. A second off-gas flow channel, an anode off-gas branch channel that branches from the anode off-gas channel, and a second combustion located between the anode-side outlet and the first combustor. And a load follow-up power generation method for a hydrogen production power generation system including a flow control valve disposed upstream of the second combustor in the anode offgas branch flow path.
この負荷追従発電方法は、燃料電池−イオンポンプ結合体の発電量が、負荷変動に追従して変動する際に、改質装置を一定出力で運転するとともに、流量制御弁を制御して第２燃焼器に供給されるアノードオフガス量を調整することにより、第１燃焼器に供給される前記アノードオフガス量を一定量に維持している。 In this load following power generation method, when the power generation amount of the fuel cell-ion pump assembly fluctuates following the load fluctuation, the reformer is operated at a constant output, and the second control valve is controlled to control the flow control valve. By adjusting the amount of anode off-gas supplied to the combustor, the amount of anode off-gas supplied to the first combustor is maintained at a constant amount.
本発明では、改質装置が一定出力で運転されながら、燃料電池−イオンポンプ結合体の発電量が、負荷変動に追従して変動すると、前記燃料電池−イオンポンプ結合体から排出されるアノードオフガス量が変動する。ここで、流量制御弁が制御されることにより、第２燃焼器に供給されるアノードオフガス量が調整され、第１燃焼器に供給される前記アノードオフガス量が一定量に維持される。 In the present invention, when the power generation amount of the fuel cell-ion pump assembly varies following the load variation while the reformer is operated at a constant output, the anode off-gas discharged from the fuel cell-ion pump assembly The amount varies. Here, by controlling the flow rate control valve, the anode off-gas amount supplied to the second combustor is adjusted, and the anode off-gas amount supplied to the first combustor is maintained at a constant amount.
従って、第１燃焼器によるアノードオフガス処理量は、常に一定量に維持されるため、ガス改質反応を安定化させることが可能になる。このため、ＣＯ濃度を低く抑えることができ、燃料電池−イオンポンプ結合体の劣化を阻止することが可能になる。 Therefore, since the anode off-gas processing amount by the first combustor is always maintained at a constant amount, the gas reforming reaction can be stabilized. For this reason, it is possible to keep the CO concentration low and to prevent the deterioration of the fuel cell-ion pump assembly.
しかも、燃料電池−イオンポンプ結合体は、例えば、系統電源が停電した際にも、単独で負荷変動に追従することができる。これにより、例えば、家庭からの要求電力に対して良好に対応することが可能になる。 Moreover, the fuel cell-ion pump assembly can follow the load fluctuation independently even when, for example, the system power supply fails. Thereby, for example, it becomes possible to cope with the required power from the home.
図１は、本発明の負荷追従発電方法が適用される第１の実施形態に係る水素製造発電システム１０の概略構成図である。この水素製造発電システム１０は、例えば、家庭用エネルギステーションとして利用され、系統電源に接続されるとともに、家庭の要求電力に対応して、すなわち、負荷変動に追従して電力を供給する。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a hydrogen production
水素製造発電システム１０は、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と水蒸気との混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質装置１２と、後述する発電モード及び水素製造モードを有する燃料電池−イオンポンプ結合体１４と、前記燃料電池−イオンポンプ結合体１４に接続されるとともに、前記水素製造発電システム１０全体の制御を行うコントローラ（制御部）１６とを備える。
The hydrogen production
コントローラ１６は、発電モード時に、燃料電池−イオンポンプ結合体１４に電荷を印加する一方、水素製造モード時に、商用電力（図示せず）を介して前記燃料電池−イオンポンプ結合体１４に電位を印加する機能を有する。
The
改質装置１２は、都市ガス中に含まれるメタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ6）及びブタン（Ｃ4Ｈ10）等の炭化水素に水蒸気を混合して混合燃料を得るための熱交換器１８と、前記熱交換器１８に水蒸気発生用の熱を付与するための第１触媒燃焼器２０と、前記混合燃料を水蒸気改質して改質ガスを得るための改質器２２と、シフト反応により前記改質ガス中の一酸化炭素及び水蒸気を二酸化炭素及び水素に変換させるＣＯ変成器（シフト反応器）２４と、少量の空気を改質ガスに付加し、選択的に吸収した一酸化炭素と空気中の酸素とを反応させて二酸化炭素に変換させるＣＯ除去器（選択酸化反応器）２６とを備える。第１触媒燃焼器２０には、この第１触媒燃焼器２０の温度を測定するための温度センサ２７が配設される。
The
燃料電池−イオンポンプ結合体１４は、固体高分子電解質膜２８をアノード側電極３０とカソード側電極３２とで挟持した電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体は、図示しないがセパレータと交互に積層されてスタックを構成する。固体高分子電解質膜２８としては、例えば、炭化水素系の電解質膜又はパーフルオロカーボン等のフッ素系の電解質膜が使用される。
The fuel cell-
燃料電池−イオンポンプ結合体１４は、改質ガスをアノード側電極３０に供給するためのアノード側入口３４ａと、前記アノード側電極３０から使用済みの改質ガス（アノードオフガス）を排出するためのアノード側出口３４ｂと、カソード側電極３２に酸化剤ガスとして空気を供給するためのカソード側入口３６ａと、前記カソード側電極３２から使用済みの空気を排出するとともに、水素製造モードにより改質ガスから取り出された精製水素ガスを排出するためのカソード側出口３６ｂとを設ける。
The fuel cell-
アノード側入口３４ａと改質装置１２を構成するＣＯ除去器２６とは、アノード側入口流路３８により接続されるとともに、アノード側出口３４ｂと前記改質装置１２を構成する第１触媒燃焼器２０とは、アノード側出口流路（アノードオフガス流路）４０により接続される。
The
燃料電池−イオンポンプ結合体１４のアノード側出口３４ｂと第１触媒燃焼器２０との間に位置し、アノード側出口流路４０からアノードオフガス分岐流路４０ａが分岐する。アノードオフガス分岐流路４０ａには、アノードオフガス流れ方向に沿って、流量制御弁４２、第２触媒燃焼器４４及び冷却装置４６が、順次、配設される。
Located between the
カソード側入口３６ａには、カソード側入口流路４８が接続される。このカソード側入口流路４８には、ブロア（コンプレッサ）５２が配設される。カソード側出口３６ｂには、カソード側出口流路５４が接続される。カソード側出口流路５４の下流側には、図示しないが、精製された水素ガスを貯留するための水素貯留ステーションや、この水素ガスを燃料電池車に供給するための水素供給ステーション等が設けられる。
A cathode
このように構成される水素製造発電システム１０の動作について、以下に説明する。
The operation of the hydrogen production
先ず、改質装置１２では、例えば、都市ガス等の原燃料（改質原燃料）と改質水とが熱交換器１８に供給されるとともに、この熱交換器１８では、第１触媒燃焼器２０による燃焼熱が付与される。このため、改質水が蒸発して水蒸気が得られ、原燃料と前記水蒸気との混合燃料が改質器２２に供給される。
First, in the
改質器２２では、水蒸気改質が行われて改質ガスが得られ、この改質ガスは、ＣＯ変成器２４に供給されることにより、シフト反応が行われる。さらに、改質ガスは、ＣＯ除去器２６に送られて選択酸化反応が行われた後、アノード側入口流路３８に導入される。
In the
ここで、燃料電池−イオンポンプ結合体１４が、図１に示すように、水素製造モードであると、コントローラ１６を介してアノード側電極３０とカソード側電極３２とに電位が印加される。この状態で、改質装置１２からアノード側入口流路３８に改質ガスが供給され、この改質ガスは、アノード側入口３４ａからアノード側電極３０に供給される。一方、ブロア５２からカソード側電極３２に空気の供給が行われていない。
Here, as shown in FIG. 1, when the fuel cell-
その際、アノード側電極３０にプラス極の電位が印加されるとともに、カソード側電極３２にマイナス極の電位が印加されている。このため、アノード側電極３０では、Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-の反応が起こり、水素イオン（Ｈ+）は、固体高分子電解質膜２８を透過してカソード側電極３２に移動する。このカソード側電極３２で、２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2の反応が惹起するとともに、昇圧されている。
At this time, a positive potential is applied to the
従って、アノード側電極３０からカソード側電極３２には、プロトン（水素イオン）が移動し、前記カソード側電極３２に高純度の水素ガスが精製される。この水素ガスは、カソード側出口流路５４に導入され、図示しない水素貯留ステーションや水素供給ステーション等に送られる。
Accordingly, protons (hydrogen ions) move from the
アノード側電極３０で使用された改質ガス（未燃の水素ガスを含む）は、未燃ガスとしてアノード側出口３４ｂからアノード側出口流路４０を通って第１触媒燃焼器２０に送られ、この第１触媒燃焼器２０に供給される燃焼空気によって燃焼される。
The reformed gas (including unburned hydrogen gas) used in the anode-
また、燃料電池−イオンポンプ結合体１４が、発電モードであると、図２に示すように、コントローラ１６を介してアノード側電極３０とカソード側電極３２とに電荷が印加される。この状態で、改質ガスが、アノード側入口流路３８を介してアノード側電極３０に供給されるとともに、空気（酸化剤ガス）が、ブロア５２の作用下に、カソード側入口流路４８を介してカソード側電極３２に供給される。
When the fuel cell-
従って、燃料電池−イオンポンプ結合体１４では、アノード側電極３０に供給される改質ガス中の水素と、カソード側電極３２に供給される空気中の酸素とを介し、電気化学反応により発電が行われる。この発電により得られた電力は、例えば、家庭用電力として利用される。
Therefore, in the fuel cell-
なお、カソード側電極３２で使用された空気は、カソード側出口３６ｂからカソード側出口流路５４を通って外部に排出されるとともに、アノード側電極３０で使用された改質ガス（未燃の水素ガスを含む）は、未燃ガスとしてアノード側出口３４ｂからアノード側出口流路４０を通って第１触媒燃焼器２０に送られる。
The air used in the
次いで、家庭の電力需要の変動に対応するための本実施形態に係る負荷追従発電方法について、図３に示すフローチャートに沿って以下に説明する。 Next, a load following power generation method according to the present embodiment for coping with fluctuations in household power demand will be described below along the flowchart shown in FIG.
先ず、家庭の電力需要が変動すると（ステップＳ１）、コントローラ１６による出力電流が制御されて、燃料電池−イオンポンプ結合体１４の発電量が変動される（ステップＳ２）。その際、改質装置１２は、常に一定の出力で運転されており、燃料電池−イオンポンプ結合体１４には、一定量の改質ガスが供給されている。このため、燃料電池−イオンポンプ結合体１４の発電量が変動されると、アノード側出口流路４０に排出される未燃ガス量が変動する。
First, when the household electric power demand fluctuates (step S1), the output current by the
そこで、ステップＳ３に進んで、流量制御弁４２の開度が変更される。従って、アノード側出口流路４０からアノードオフガス分岐流路４０ａに供給される未燃ガス量が変更され、第１触媒燃焼器２０に供給される未燃ガス量が調整される。アノードオフガス分岐流路４０ａに供給される未燃ガスは、第２触媒燃焼器４４により燃焼されて、例えば、図示しない温水器等の熱源として使用されるとともに、冷却装置４６により冷却された後、外部に排出される。
Then, it progresses to step S3 and the opening degree of the
一方、第１触媒燃焼器２０では、未燃ガスによる燃焼が行われており、コントローラ１６は、温度センサ２７を介して前記第１触媒燃焼器２０の温度Ｔｃ℃を検出する（ステップＳ４）。そして、第１触媒燃焼器２０の温度Ｔｃ℃が、目標温度範囲内（Ｔ１℃≦Ｔｃ℃≦Ｔ２℃）にあるか否かが判断される（ステップＳ５）。
On the other hand, in the first
第１触媒燃焼器２０の温度Ｔｃ℃が、目標温度範囲内にないと判断されると（ステップＳ５中、ＮＯ）、ステップＳ６に進んで、流量制御弁４２の開度が補正される。さらに、ステップＳ４に戻って、上記の処理が繰り返される。
When it is determined that the temperature Tc ° C. of the first
この場合、第１の実施形態では、燃料電池−イオンポンプ結合体１４の発電量が、負荷変動に追従して変動する際に、流量制御弁４２が制御されることにより、第２触媒燃焼器４４に供給される未燃ガス量が調整され、第１触媒燃焼器２０に供給される未燃ガス量が一定量に維持されている。
In this case, in the first embodiment, the second catalytic combustor is controlled by controlling the flow
従って、第１触媒燃焼器２０による未燃ガス処理量は、常に一定量に維持されるため、ガス改質反応を安定化させることが可能になる。これにより、改質装置１２は、常に一定の出力で運転されるとともに、ＣＯ濃度を低く抑えることができ、燃料電池−イオンポンプ結合体１４の劣化を阻止することが可能になるという効果が得られる。
Therefore, since the unburned gas processing amount by the first
しかも、燃料電池−イオンポンプ結合体１４は、例えば、系統電源が停電した際にも、単独で負荷変動に追従することができる。このため、例えば、家庭からの要求電力に対して良好に対応することが可能になる。
Moreover, the fuel cell-
ここで、燃料電池−イオンポンプ結合体１４の発電量（ＦＣ出力）を家庭の電力要求に追従させる際、従来の運転方法では、第２触媒燃焼器４４が用いられないため、図４に示すように、第１触媒燃焼器２０の処理量が、負荷追従により変動してしまう。このため、第１触媒燃焼器２０の温度が変動し、改質ガス中のＣＯ濃度が不安定となるおそれがある。従って、燃料電池−イオンポンプ結合体１４が、ＣＯ被毒により劣化するという問題がある。
Here, when the power generation amount (FC output) of the fuel cell-
これに対して、第１の実施形態では、図５に示すように、第２触媒燃焼器４４による処理量が、燃料電池−イオンポンプ結合体１４の発電量（ＦＣ出力）の変動に応じて変動することにより、第１触媒燃焼器２０の処理量が一定に維持されている。これにより、第１触媒燃焼器２０の温度が安定化されるため、ＣＯ濃度を低く抑えることができ、燃料電池−イオンポンプ結合体１４の劣化を阻止することが可能になる。
On the other hand, in the first embodiment, as shown in FIG. 5, the processing amount by the second
図６は、本発明の第２の実施形態に係る水素製造発電システム６０の概略構成図である。なお、第１の実施形態に係る水素製造発電システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a hydrogen production
水素製造発電システム６０は、冷却装置４６に代えて、熱交換器６２を備える。この熱交換器６２は、例えば、図示しないが、水や温調流体等を昇温させるための熱源として利用される。
The hydrogen production
これにより、第２の実施形態では、第２触媒燃焼器４４による燃焼熱を、熱交換器６２に供給される水等を昇温させるための熱源として利用することができ、排熱の有効利用が一層図られるという効果が得られる。
Thereby, in 2nd Embodiment, the combustion heat by the 2nd catalyst combustor 44 can be utilized as a heat source for heating up the water etc. which are supplied to the
図７は、本発明の第３の実施形態に係る水素製造発電システム７０の概略構成図である。
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a hydrogen production
水素製造発電システム７０では、アノード側入口流路３８に三方電磁弁７２が配置される。三方電磁弁７２には、バイパス流路７４の一端が接続され、このバイパス流路７４の他端は、アノード側出口流路４０の途上に接続される。
In the hydrogen production
このように構成される第３の実施形態では、特に、改質装置１２の運転開始時のように、触媒燃焼温度や改質器２２の温度が低く、前記改質装置１２から良好な改質ガスが供給される前に、三方電磁弁７２を介してこの改質ガスをバイパス流路７４から第１触媒燃焼器２０に供給することができる。
In the third embodiment configured as described above, the catalytic combustion temperature and the temperature of the
このため、燃料電池−イオンポンプ結合体１４のアノード側電極３０に不要なガス成分（特に、ＣＯ）が供給されることがなく、しかも、第１触媒燃焼器２０に改質ガスを直接供給することにより、この第１触媒燃焼器２０の迅速な昇温を図ることができるという利点がある。
Therefore, unnecessary gas components (particularly, CO) are not supplied to the
なお、改質装置１２により通常の改質処理が開始された際には、三方電磁弁７２を切り換えて改質ガスをアノード側電極３０に供給し、上記の第１の実施形態と同様の処理が行われる。
When normal reforming processing is started by the reforming
１０、６０、７０…水素製造発電システム
１２…改質装置 １４…燃料電池−イオンポンプ結合体
１６…コントローラ １８…熱交換器
２０、４４…触媒燃焼器 ２２…改質器
２４…ＣＯ変成器 ２６…ＣＯ除去器
２８…固体高分子電解質膜 ３０…アノード側電極
３２…カソード側電極 ３４ａ…アノード側入口
３４ｂ…アノード側出口 ３６ａ…カソード側入口
３６ｂ…カソード側出口 ３８…アノード側入口流路
４０…アノード側出口流路 ４０ａ…アノードオフガス分岐流路
４２…流量制御弁 ４６…冷却装置
６２…熱交換器 ７２…三方電磁弁
７４…バイパス流路
DESCRIPTION OF
Claims (7)
電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記一対の電極間に電位を印加した状態で、アノード側に前記改質ガスを供給することにより、前記改質ガス中の水素が前記電解質を透過してカソード側に移送される水素製造モード、及び前記一対の電極間に電荷を印加した状態で、前記アノード側に前記改質ガスを供給するとともに、前記カソード側に酸化剤ガスを供給することにより発電する発電モードを有する燃料電池−イオンポンプ結合体と、
前記燃料電池−イオンポンプ結合体のアノード側出口から排出されるアノードオフガスを、前記第１燃焼器に供給するためのアノードオフガス流路と、
前記アノード側出口と前記第１燃焼器との間に位置し、前記アノードオフガス流路から分岐するアノードオフガス分岐流路と、
前記アノードオフガス分岐流路に配置される第２燃焼器と、
前記アノードオフガス分岐流路に、前記第２燃焼器の上流に配置される流量制御弁と、
を備えることを特徴とする水素製造発電システム。 A reformer comprising a first combustor as a heat source and reforming raw fuel mainly composed of hydrocarbons to generate reformed gas;
The reforming is performed by supplying the reformed gas to the anode side with an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are disposed on both sides of the electrolyte, and a potential is applied between the pair of electrodes. A hydrogen production mode in which hydrogen in the gas passes through the electrolyte and is transferred to the cathode side, and the reformed gas is supplied to the anode side while a charge is applied between the pair of electrodes, and the cathode A fuel cell-ion pump assembly having a power generation mode for generating power by supplying an oxidant gas to the side;
An anode offgas flow path for supplying anode offgas discharged from the anode side outlet of the fuel cell-ion pump assembly to the first combustor;
An anode off-gas branching channel located between the anode-side outlet and the first combustor and branching from the anode off-gas channel;
A second combustor disposed in the anode off-gas branch flow path;
A flow rate control valve disposed upstream of the second combustor in the anode off-gas branch flow path;
A hydrogen production power generation system comprising:
前記アノード側入口流路に設けられる三方弁と、
前記三方弁と前記アノードオフガス流路とに連結され、前記燃料電池−イオンポンプ結合体をバイパスするバイパス流路と、
を備えることを特徴とする水素製造発電システム。 The hydrogen production power generation system according to any one of claims 1 to 3, wherein an anode-side inlet channel that connects the reformer and an anode-side inlet of the fuel cell-ion pump assembly;
A three-way valve provided in the anode-side inlet channel;
A bypass passage connected to the three-way valve and the anode off-gas passage to bypass the fuel cell-ion pump assembly;
A hydrogen production power generation system comprising:
電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記一対の電極間に電位を印加した状態で、アノード側に前記改質ガスを供給することにより、前記改質ガス中の水素が前記電解質を透過してカソード側に移送される水素製造モード、及び前記一対の電極間に電荷を印加した状態で、前記アノード側に前記改質ガスを供給するとともに、前記カソード側に酸化剤ガスを供給することにより発電する発電モードを有する燃料電池−イオンポンプ結合体と、
前記燃料電池−イオンポンプ結合体の前記アノード側出口から排出されるアノードオフガスを、前記第１燃焼器に供給するためのアノードオフガス流路と、
前記アノード側出口と前記第１燃焼器との間に位置し、前記アノードオフガス流路から分岐するアノードオフガス分岐流路と、
前記アノードオフガス分岐流路に配置される第２燃焼器と、
前記アノードオフガス分岐流路に、前記第２燃焼器の上流に配置される流量制御弁と、
を備える水素製造発電システムの負荷追従発電方法であって、
前記燃料電池−イオンポンプ結合体の発電量が、負荷変動に追従して変動する際に、前記改質装置を一定出力で運転するとともに、前記流量制御弁を制御して前記第２燃焼器に供給されるアノードオフガス量を調整することにより、前記第１燃焼器に供給される前記アノードオフガス量を一定量に維持することを特徴とする水素製造発電システムの負荷追従発電方法。 A reformer comprising a first combustor as a heat source and reforming raw fuel mainly composed of hydrocarbons to generate reformed gas;
The reforming is performed by supplying the reformed gas to the anode side with an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are disposed on both sides of the electrolyte, and a potential is applied between the pair of electrodes. A hydrogen production mode in which hydrogen in the gas passes through the electrolyte and is transferred to the cathode side, and the reformed gas is supplied to the anode side while a charge is applied between the pair of electrodes, and the cathode A fuel cell-ion pump assembly having a power generation mode for generating power by supplying an oxidant gas to the side;
An anode offgas flow path for supplying anode offgas discharged from the anode side outlet of the fuel cell-ion pump assembly to the first combustor;
An anode off-gas branching channel located between the anode-side outlet and the first combustor and branching from the anode off-gas channel;
A second combustor disposed in the anode off-gas branch flow path;
A flow rate control valve disposed upstream of the second combustor in the anode off-gas branch flow path;
A load following power generation method for a hydrogen production power generation system comprising:
When the power generation amount of the fuel cell-ion pump assembly fluctuates following a load fluctuation, the reformer is operated at a constant output, and the flow control valve is controlled to the second combustor. A load following power generation method for a hydrogen production power generation system, wherein the anode off gas amount supplied to the first combustor is maintained at a constant amount by adjusting an anode off gas amount supplied.
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